[发明专利]超大采高工作面多应力场耦合围岩稳定性智能控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种采煤工作面围岩稳定性控制方法，具体是考虑到超大采高工作面多应力场耦合效应的围岩稳定性智能控制方法。

背景技术

综采工作面是由液压支架、采煤机和刮板输送机构成的机械化回采工作面，其中液压支架支撑顶底板、控制煤壁，为采煤机、刮板输送机和行人提供安全工作空间并推移工作面设备前移，是煤炭开采过程围岩稳定性控制的关键设备保障。煤矿采掘等地下工程活动引起原始应力的重新分布，所形成的应力分布称为采动应力场。目前的工作面一次开采高度越来越大，投入运行的综采装备一次采全厚高度已超过8.0m，后部采空区的超大空间使得顶板关键层由普通采高的回转失稳演变为“回转—滑落”失稳，同时片帮概率增大，强扰动岩层运动造成的采动应力场给工作面围岩稳定支护带来极大难度。依靠人工经验操作已无法提供及时、准确响应来保证围岩稳定，超大采高工作面围岩稳定性控制必须由普通采高的“支架辅助围岩形成承载结构”发展为“支架主导围岩形成承载结构”的支护模式，利用支护应力场构建工作面相对平衡的空间应力场体系。

围岩耦合理论阐释了工作面围岩与液压支架的相互作用、相互影响的本质关系，是指导支护装备设计和维护工作面稳定的基础。专利201010231729.1从围岩的运移规律出发，建立支架围岩关系耦合模型，将工作围岩与支架作为一个整体力学系统进行支护结构和参数的三维动态设计；专利201410453597.5基于支架与围岩刚度耦合、强度耦合和稳定性耦合关系，提出了一种支架适应性的评价方法。上述两个专利仅从液压支架设计和现场适用性评价的角度运用围岩耦合理论，无法替代人工作业进行现场围岩稳定性控制。专利201410341867.3发明了一种智能耦合型两柱掩护式特大采高液压支架，具体包括液体支架本体、各类传感元件及控制器，提出了智能型液压支架的结构组成和功能描述，没有考虑多应力场耦合效应下的围岩稳定性具体控制方法。

现有综采工作面自动化控制主要以支架本身的姿态、压力等参数为对象的动作控制，由于缺乏对应力场的感知，多场耦合条件下围岩稳定性控制没有相应依据，超大采高工作面综合机械化和自动化开采亟需一种考虑工作面多应力场耦合效应的围岩稳定性智能控制方法。

发明内容

技术问题：本发明针对超大采高综采工作面顶板大形变、强冲击和煤壁频繁片帮等围岩稳定性控制难题，提出一种基于多应力场耦合效应的围岩稳定性控制方法，利用液压支架的智能支护功能解决超大采高工作面开采作业空间安全保障问题。

技术方案：一种超大采高工作面多应力场耦合围岩稳定性智能控制方法，在工作面顶板围岩中预设围岩应力监测装置，以工作面顶板和煤壁为主要控制对象，由智能支护单元自动产生适当的支护应力场，与超大采高工作面围岩大规模、高强度运移形成的不稳定采动应力场叠加，在工作面顶板、煤壁中达到原岩应力、采动应力及支护应力的相对平衡，降低围岩破碎程度，减少围岩宏观位移量，实现围岩稳定控制。

所述稳定性智能支护单元包括超大采高液压支架、液压支架姿态和压力感知装置、增压系统和围岩稳定性智能控制终端，工作面并排组成的稳定性智能支护单元构成了稳定性智能支护系统。所述超大采高液压支架具备大缸径双伸缩强力支撑立柱、伸缩顶梁和三级护帮装置、大流量安全阀等稳定性执行机构。所述感知装置包括立柱和千斤顶内的压力、位移传感器，以及倾角等支架姿态传感器。所述围岩稳定性智能控制终端置于超大采高液压支架前连杆上，具备信号采集、显示功能，能够同时接收液压支架姿态和压力和围岩应力信号并传输到围岩稳定性智能控制中心。所述围岩稳定性智能控制中心能够调用液压支架电液控制系统主控制器。

上述的超大采高工作面多应力场耦合围岩稳定性智能控制方法，其对顶板和煤壁的围岩稳定性控制原理综合考虑以下方面。

（1）液压支架可承受的工作面最大长度与液压支架支护能力、工作面端部约束条件、顶板岩层厚度、顶板岩性、顶板破坏程度以及采高等参数密切相关。随着工作面加长，顶板下沉量越来越大，当工作面长度达到一定长度范围L时，顶板最大下沉量越来越接近，同时支架上方顶板出现分段性来压，表现为工作面中间段和端头部来压不一致的特点，基本规律是中间段超前，两端头处落后；当工作面长度超过L时，顶板下沉量开始由单峰值向多峰值转化，出现形如“W”三峰值现象，支架上方顶板表现为三峰值同步来压特点。

（2）合理提高初撑力和工作阻力，结合围岩的自承能力来控制顶板下沉量，同时可有效控制煤壁水平位移量，降低煤壁片帮发生概率。采用对顶板和煤壁共同约束的双因素控制法确定超大采高工作面支架初撑力和工作阻力。